KR20240061050A - 적응형 베어링 저널을 구축한 회전기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업 설비 전반에 사용되는 회전기계의 효율적 활용을 위해 저널 베어링을 효과적인 방법으로 발전시키는 기술 개발로써 슬리브의 외측면의 반경방향 치수를 축의 회전 속도의 값으로 변경함으로써 간극을 변경하는 단계를 포함하는 회전기계 개발 기술이다.

Description

적응형 베어링 저널을 구축한 회전기계 {Rotating machine with adaptive bearing journal}

본 발명은 로터와 로터 축및 로터 축을 지지하는 적어도 하나의 저널 베어링을 포함하는 회전기계를 작동시키기 위한 방법으로 베어링은 베어링 하우징과 베어링 하우징의 베어링 면 또 축 상에 비틀림 방향 및 축 방향으로 끼워맞춰지는 슬리브 및 슬리브의 외측면과 베어링 면 사이의 간극을 충전하는 윤활유막을 포함한다. 이는 슬리브의 외측면의 반경 방향 치수를 축의 회전 속도를 계산해 변경함으로써 간극을 변경하는 단계를 포함한다.

터빈 로터 및 압축기 로터의 축과 같은 기계 로터의 회전축을 지지하기 위해 저널 베어링 또는 유막(fluid film) 베어링이 통상적으로 사용되고 있다. 베어링은 저널 베어링이거나 유체역학적 또는 유막 베어링이 주인데 축은 축의 외측면과 저널 베어링의 내측 베어링면 사이의 환형부 또는 간극을 충전하는 유막으로 베어링 내에지지 된다. 축의 회전은 수렴형 오일 에지 및 분기형 오일 쐐기 또는 분기형 유막으로 오일 이동을 발생시킨다. 축은 오일 운동으로 발생 되거나 동압(hydrodynamic pressure)에 의해지지 된다. 베어링면은 베어링의 원통형인 표면 또는 축의 회전 축선의 둘레로 배치되는 다수의 피봇 베어링 패드에 의해 형성될 수 있다. 저널 베어링의 중요한 유체역학 계수는 베어링의 강성도 및 댐핑으로 형성한다. 강성도는 이동 그 자체와는 반대인 저널 또는 축의 변위에 대한 윤활유 막의 반작용과 관련되어 있고 축의 하향 이동은 유막에 의해 발생 되는 상방으로 지향되는 회복력에 의해 저항을 받으며 수직 강성도는 축의 변위에 의해 분할되는 회복력에 의해 주어진다. 유막에 의해 발생 되는 수평 회복력으로 나타나는 수평 변위는 베어링의 수평 강성도로 나타난다. 저널 베어링의 다른 중요한 유체역학적 파라미터는 댐핑이다. 이런 댐핑 계수는 속도와 관련되어 있다. 축의 하향 속도 섭동(velocity perturbation)은 쇽 업소버와 매우 유사한 방식으로 유막에 의해 발생 되는 상향 회복력으로 나타난다. 이동이 빠르면 빠를수록 막에 의해 발생 되는 대항력이 더 커지므로 유사한 댐핑 효과가 수평 방향으로도 제공된다. 댐핑은 어떤 작동 상태 하에서는 진동을 억제한다는 점에서 유익하며 큰 댐핑은 베어링 면과 상기 베어링에 수용되는 회전축의 외측면 사이의 큰 간극으로 얻어질 수 있지만 큰 간극은 베어링의 강성도를 감소시키며 이로써 로터의 정상적인 작동 상태 하에서는 치명적일 수도 있다. 따라서 전속력에 가깝게 작동시킬 동안 임계 속도와 최대 강성도를 교차시키면서 최대 댐핑을 갖는 기술이 필요하다.

상이한 작동 상태 하에서 저널 베어링의 거동을 개선 시키기 위해 저널 외경이 반경방향으로 변형되어 저널의 외측면과 저널 베어링의 베어링면 사이의 간극을 선택적으로 감소 또는 증가시킬 수 있도록 설계되어야 하고 임계 속도를 교차시킬 동안 댐핑 효과를 증가시키고 증폭률을 감소시키기 위해 낮은 회전 속도에서는 큰 간극을 유지하되 간극을 감소시키되 베어링 강성도를 개선 시키기 위해서는 증가된 회전 속도에서 저널의 반경 방향 치수를 증가시키는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 일부 로터와 로터 축 및 로터 축을 지지하는 저널 베어링을 구동하는 방법에 있어 기술적인 접근이 필요하다. 적어도 하나의 저널 베어링은 베어링 하우징과 상기 베어링 하우징의 베어링면 또 축의 비틀림 방향 및 축방향으로 끼워 맞춰지는 슬리브 및 슬리브의 외측면과 베어링면 사이의 간극을 충전하는 윤활유막으로 구성되는 회전기계를 작동시키기 위한 방법 구현이 제공되어야 한다. 상기 방법은 슬리브의 외측면의 반경 방향 치수를 축의 회전 속도로 변경 조절함으로써 간극을 변경하는 단계를 거쳐 해결을 도모한다.

본 발명으로 회전방향의 형상에 따라 안정적이고 효율정인 베어링 효과를 낼 수 있으며 또 하중을 받는 방향에 따라 하중을 분산시켜 안정적인 구동력을 확보할 수 있다. 마찰저항과 회전시 축 흔들림을 작게 해 고속과 고정밀도, 낮은 토크 및 낮은 진동을 구현할 수 있어 하중 충격을 줄이는 결과를 얻을 수 있고 이는 곧 마찰 손실을 줄이는 효과로 이어져 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있는 회전기계류의 근본을 마련할 수 있다.

저널 베어링은 저널 베어링 패드가 배치되는 저널 베어링 하우징을 포함한다. 저널 베어링 패드는 저널 베어링 하우징에 경사 가능한 방식으로지지 되며 축선의 둘레로 각도를 이루어 분포된다. 저널 베어링은 축을 둘러싸는 강성의 원통형 부품에 의해 형성되는 베어링 면으로 구성될 수 있다. 축이 저널 베어링에 의해 지지 되는 영역에서 축은 소직경의 일부를 갖는다. 얕은 환형 홈의 축 방향 길이 즉 축 방향으로의 연장부는 대략 저널 베어링 패드의 축 방향 연장부에 대응하거나 또는 이보다 크거나 작을 수 있다. 슬리브는 홈 둘레에서 축 상에 맞춰진다. 슬리브의 축 방향 길이가 홈의 축 방향 길이보다 크면 슬리브는 그 양단부에서 축의 외측면과 접촉한다. 슬리브는 3개의 부분으로 하나는 단부 부분은 내측면이 축의 외측면과 밀착 접촉해 슬리브 영역에 대응한다. 두 번째는 슬리브의 중간 부분이 홈 위에 걸쳐지므로 환형 홈의 바닥과 축과 닿는슬리브의 내측면 사이에 환형 공동이 형성된다. 세 번째는 슬리브의 외측면은 저널 베어링의 베어링면과 닿는다. 베어링 면은 주로 저널 베어링 패드의 반경 방향으로 내향하는 대향면에 의해 형성되기 때문에 패드면과 슬리브의 외측면 사이의 거리가 확대된다. 슬리브의 외측면과 저널 베어링 패드의 반경 방향으로 내향하는 내측 대향면 사이의 공간은 환형부 또는 간극을 형성한다. 축이 베어링면과 정확히 동축이 아니기 때문에 간극의 반경 방향 치수는 유막과 매우 동일한 방식으로 슬리브의 원주 방향 연장부를 따라 변할 수 있다. 축과 슬리브의 직경은 슬리브의 제1 단부가 축의 외측면과 밀착 접촉하는 길이를 따라 제1 간섭도, 즉 네거티브 허용량이 제공되도록 선택된다. 이 접촉 영역에서의 간섭도는 외측 슬리브가 모든 작동 상태 하에서 즉 축이 달성할 수 있는 가장 높은 회전 속도 및 가장 높은 온도 하에서 비틀림 방향뿐만 아니라 축 방향으로도 구속되도록 축 상에 끼워서 맞춰지게 된다. 일단 슬리브가 축 상에 끼워 맞춰졌다면 요구되는 외경을 얻기 위해 그 외측면이 가공되고 이때 직경은 슬리브의 외측면과 저널 베어링의 베어링면 사이에 간극을 남기는 치수를 갖는다. 축이 회전하기 시작할 때 원심력이 슬리브 상에 발생되므로 결과적으로 간섭 응력에 노출되지 않는 슬리브 부분이 원심력의 효과 아래 반경 방향 외측으로 팽창한다. 슬리브의 반경 방향 외측 팽창은 간극, 즉 슬리브와 베어링면 사이의 오일-충전된 갭 또는 환형부의 반경방향 치수를 본래보다 감소시킨다. 상기 반경 방향 변위는 증가하는 작동 속도에서 베어링의 온도 증가로 인한 열팽창뿐 아니라 원심력의 효과를 모두 고려하여 축 및 슬리브의 형상에 적용되는 유한요소법에 기초하여 계산 되었다. 수평 축선을 따라 슬리브를 따른 축 방향 위치가 그려지는 반면에 수직 위치는 반경 방향 변위를 ㎜로 그려져 4개의 상이한 곡선을 그려낸다. 각각의 곡선은 축-베어링 시스템의 상이한 작동 상태에 대응한다. 하나는 원심력의 효과 없이 단지 온도 효과만을 나타내고 두 가지는 증가된 회전 속도 하에서 원심력으로 조합된 효과에 의해 반경 방향 변위를 나타낸다. 이 때 슬리브 부분에 대응하는 중심 영역은 슬리브와 축 사이의 간섭이 존재하지 않으므로 인해 더 큰 반경 방향 변위에 노출된다. 하지만 양단부에서의 간섭은 그 단부에서 슬리브의 외측면의 감소 된 반경 방향 변위로 나타나기 때문에 중간 부분은 실질적으로 동일 한 반경 방향 변위도에 노출된다. 이런 결과로 저널 베어링에 의해 형성되는 내측 베어링면 사이의 간극을 감소시킨다. 따라서 반경 방향 외측으로 변위 가능한 슬리브를 축 상에 끼워 맞춤으로써 저널 베어링의 형상이 축의 회전 속도의 변수로 변경할 수 있다.

Claims (1)

1. 로터와 로터 축 및 로터 축을 지지하는 하나의 저널 베어링을 포함하는 회전기계로서 적어도 하나의 저널 베어링은 베어링 하우징, 상기 베어링 하우징의 베어링 면, 상기 축에 비틀림 방향 및 축방향으로 끼워 맞춰지고 상기 베어링 면과 면하는 외측면 및 상기 축과 면하는 내측면을 갖는 슬리브 및 상기 슬리브의 외측면과 베어링 면 사이의 간극을 충전하는 윤활유 막으로 구성되어 작동하는 회전기계